如何利用臨界折射縱波檢測(cè)鋼結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力？

隨著生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,焊接技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于橋梁、建筑等各個(gè)領(lǐng)域,對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著極其重要的作用。由于高度集中的瞬時(shí)熱輸入,構(gòu)件焊后將產(chǎn)生相當(dāng)大的焊接殘余應(yīng)力和變形,這將對(duì)焊接接頭的各種力學(xué)性能產(chǎn)生不同程度的影響。焊接殘余應(yīng)力的存在,不僅會(huì)降低工件的強(qiáng)度,使工件在制造時(shí)產(chǎn)生變形和開(kāi)裂等工藝缺陷;又會(huì)在制造后的自然釋放過(guò)程中使工件的尺寸發(fā)生變化或者使其疲勞強(qiáng)度、應(yīng)力腐蝕等力學(xué)性能降低。因此,殘余應(yīng)力的檢測(cè),對(duì)于確保工程的安全性和可靠性有著非常重要的意義。
 
一、殘余應(yīng)力分類(lèi)
在鋼結(jié)構(gòu)的焊接過(guò)程中，由于大量熱量高度集中，在焊接結(jié)束后焊件內(nèi)仍存在一定的應(yīng)力，這些未消除的、參與在焊件中的應(yīng)力就是我們經(jīng)常提到的焊接殘余應(yīng)力。根據(jù)這種焊接殘余應(yīng)力方向的不同，可以分為縱向焊接殘余應(yīng)力、橫向焊接殘余應(yīng)力和沿焊縫厚度方向的焊接殘余應(yīng)力三種。
 
1、縱向殘余應(yīng)力
縱向焊接殘余應(yīng)力的形成主要是由于在焊接過(guò)程中焊接受熱不均勻便進(jìn)行冷卻，這樣就在焊件中形成了不同溫度的溫度場(chǎng)。而不同的溫度又會(huì)導(dǎo)致焊件發(fā)生不同程度的膨脹，溫度越高的地方其膨脹程度越大，所以在焊接過(guò)程中由于焊縫附近的溫度最高，所以膨脹最大，而臨邊的溫度最低所以膨脹也最低，這樣就會(huì)產(chǎn)生塑性壓縮，而由于焊縫附近的溫度較高，膨脹系數(shù)較大，所以被塑性壓縮后焊縫區(qū)域與臨界區(qū)域相比要長(zhǎng)一些，導(dǎo)致形成縱向的焊接殘余應(yīng)力。
 
2、橫向殘余應(yīng)力
在鋼結(jié)構(gòu)的焊接過(guò)程中形成橫向殘余應(yīng)力的主要原因有兩個(gè)：
（1）在焊接過(guò)程中，由于焊縫縱向收縮，而鋼板向外彎曲，這形成了一個(gè)弓形。而焊縫又將兩塊鋼板連接在一起，形成了一個(gè)整體，這樣在焊縫的中間就產(chǎn)生了橫向的拉應(yīng)力，同時(shí)在兩端也產(chǎn)生了橫向的拉應(yīng)力。
 
（2）在焊接過(guò)程中，由于焊縫的焊接位置不同，所以在焊接結(jié)束進(jìn)行冷卻的過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)差別。在焊接時(shí)先焊接的焊縫由于焊接時(shí)間早，冷卻時(shí)間也早，所以其強(qiáng)度較強(qiáng)，而后面的焊縫由于焊接的較晚，冷卻的也較晚，所以焊縫位置就會(huì)發(fā)生橫向的膨脹，導(dǎo)致橫向塑性壓縮發(fā)生變形。在這兩個(gè)原因的共同作用下，焊縫的橫向拉應(yīng)力和方向都會(huì)發(fā)生改變，最終導(dǎo)致產(chǎn)生橫向殘余應(yīng)力。
   
3、沿焊縫厚度方向的殘余應(yīng)力
鋼結(jié)構(gòu)焊接過(guò)程中產(chǎn)生的沿焊縫厚度方向的殘余應(yīng)力主要是由于鋼結(jié)構(gòu)的厚度較大，在焊接時(shí)需要采用多重焊接的方式進(jìn)行施焊。所以在焊接過(guò)程中除了會(huì)產(chǎn)生縱向的焊接殘余應(yīng)力和橫向的焊接殘余應(yīng)力之外，還會(huì)產(chǎn)生沿焊縫厚度方向的殘余應(yīng)力。這種殘余應(yīng)力的存在，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的塑性會(huì)產(chǎn)生重要的影響，進(jìn)而影響鋼結(jié)構(gòu)的脆弱性和結(jié)構(gòu)性，對(duì)建筑工程的質(zhì)量造成重要影響。
 
二、臨界折射縱波檢測(cè)法
目前殘余應(yīng)力的檢測(cè)方法有多種，可分為破壞性和非破壞性?xún)纱箢?lèi)，而超聲以其檢測(cè)無(wú)損、快速精確等優(yōu)勢(shì)，在殘余應(yīng)力檢測(cè)領(lǐng)域得到了極大的發(fā)展，在這里值得一提就是基于超聲波的聲彈性理論研究出來(lái)的臨界折射縱波殘余應(yīng)力檢測(cè)法。
 
檢測(cè)原理：
當(dāng)發(fā)射換能器激發(fā)超聲波縱波以第一臨界角斜入射到被檢件表面時(shí)，依據(jù)Snell定律，可在被檢件材料內(nèi)部產(chǎn)生超聲臨界折射縱波，并可被接收換能器接收到。依據(jù)聲彈性原理，材料中的殘余應(yīng)力會(huì)影響超聲縱波傳播速度，當(dāng)殘余應(yīng)力與縱波方向一致時(shí)，拉伸應(yīng)力使超聲縱波傳播速度變慢或傳播時(shí)間t延長(zhǎng)，壓縮應(yīng)力使超聲縱波傳播速度加快或傳播時(shí)間t縮短。因此，在激勵(lì)和接收兩換能器之間的距離（探頭間距）保持不變的條件下，若測(cè)得零應(yīng)力σ0對(duì)應(yīng)超聲波時(shí)間t0和被檢件應(yīng)力σ對(duì)應(yīng)的超聲波傳播時(shí)間t。根據(jù)時(shí)間差按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 32073-2015《超聲檢測(cè)殘余應(yīng)力》中的公式計(jì)算出被檢件中的殘余應(yīng)力絕對(duì)值σ。
   
檢測(cè)方法：
1、檢測(cè)前準(zhǔn)備
檢測(cè)區(qū)域的大小與探頭尺寸和檢測(cè)頻率有關(guān)，檢測(cè)區(qū)域長(zhǎng)度L為臨界折射縱波傳播距離，通常為5mm~100mm。檢測(cè)區(qū)域?qū)挾萕為換能器晶片寬度或直徑，通常為5mm~30mm，檢測(cè)區(qū)域由頻率決定。檢測(cè)區(qū)域大小應(yīng)超出探頭尺寸覆蓋的范圍或與其相等。
 
2、表面準(zhǔn)備
檢測(cè)位置的表敏粗糙度Ra應(yīng)小于或等于10μm。
 
3、檢測(cè)儀器的調(diào)整和設(shè)置
將殘余應(yīng)力超聲檢測(cè)儀調(diào)整到正常工作狀態(tài)。根據(jù)已經(jīng)確定好的檢測(cè)區(qū)域，設(shè)置檢測(cè)頻率、濾波帶寬、超聲激勵(lì)電壓、超聲接收增益、探頭間距和位置等檢測(cè)參數(shù)。
 
4、應(yīng)力系數(shù)標(biāo)定
調(diào)整并設(shè)置好檢測(cè)儀器后，將探頭穩(wěn)固耦合在零應(yīng)力試塊的標(biāo)定區(qū)域內(nèi)，按GB/T 228.1規(guī)定的方法，在（22±2）℃下，對(duì)零應(yīng)力試塊進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。
 
在材料彈性范圍內(nèi)，記錄檢測(cè)儀器的聲時(shí)差△t和拉伸試驗(yàn)設(shè)備輸出的拉應(yīng)力變化△σ，測(cè)量點(diǎn)不少于10點(diǎn)，重復(fù)拉伸次數(shù)不少于5次，取平均值，繪制出拉伸應(yīng)力值與聲時(shí)差的坐標(biāo)圖，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到直線斜率的倒數(shù)即為應(yīng)力系數(shù)K。
 
5 、零應(yīng)力校準(zhǔn)
按規(guī)定調(diào)整和設(shè)置檢測(cè)儀器，將探頭穩(wěn)定耦合在零應(yīng)力試塊的標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域內(nèi)，記錄儀器測(cè)出的零應(yīng)力對(duì)應(yīng)的超聲臨界折射縱波傳播時(shí)間t0。
 
6、應(yīng)力檢測(cè)
調(diào)整并設(shè)置檢測(cè)儀器，根據(jù)探頭布置，將探頭穩(wěn)定耦合在檢測(cè)位置，記錄儀器測(cè)出的零應(yīng)力對(duì)應(yīng)的超聲臨界折射縱波傳播時(shí)間t，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的公式計(jì)算出被檢件內(nèi)的殘余應(yīng)力△σ或σ0（設(shè)σ0=0），所得的殘余應(yīng)力值為負(fù)值表示壓縮應(yīng)力，正值表示拉伸應(yīng)力。
 
7、溫度補(bǔ)償與修正
根據(jù)溫度差對(duì)檢測(cè)到的殘余應(yīng)力數(shù)值進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正。
 
三、結(jié)語(yǔ)
殘余應(yīng)力是零件表面完整性質(zhì)量的關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)，只有選擇合適的檢測(cè)方法，合理的進(jìn)行檢測(cè)，才能夠?qū)附蛹庸すに囋u(píng)估和工藝優(yōu)化提供量化依據(jù)，零部件變形及失效問(wèn)題才能夠得到分析、得到針對(duì)性解決，才能將焊縫焊接殘余應(yīng)力控制在合理水平，減少或延緩疲勞裂紋的發(fā)生，才能提高和保證產(chǎn)品交付質(zhì)量，提高工程建設(shè)中的驗(yàn)收質(zhì)量。